- Mágneses mező a fizikában
- C
- Mágnes pólusai
- források
- Mágneses ásványok és elektromágnesek
- Mágneses erő a mozgó töltésen
- Hogyan generálódik a mágneses mező?
- típusai
- Biot-Savart törvénye
- Példák
- Nagyon hosszú, egyenes vonal által létrehozott mágneses mező
- A Helmholtz tekercs által létrehozott mező
- Irodalom
A mágneses mező annak a hatása, amelyet a mozgó elektromos töltések befolyásolnak az őket körülvevő térre. A töltéseknek mindig van elektromos tere, de csak azok, amelyek mozgásban vannak, mágneses effektusokat hozhatnak létre.
A mágnesesség létezése már régóta ismert. Az ókori görögök ásványt írtak le, amely vonzza a kis vasdarabokat: ez volt a legkevesebb kő vagy a magnetit.
1. ábra. Magnetitminta. Forrás: Wikimedia Commons. Rojinegro81.
Miletus és Platón bölcsek elfoglalták mágneses effektusok felvételét írásaikban; egyébként is ismerték a statikus elektromosságot.
A mágnesesség azonban csak a 19. században vált össze az elektromossággal, amikor Hans Christian Oersted megfigyelte, hogy az iránytű egy eltérő áramot hordozó vezető huzal közelében helyezkedik el.
Ma tudjuk, hogy az elektromosság és a mágnesesség úgynevezett ugyanazon érme két oldala.
Mágneses mező a fizikában
A fizikában a mágneses mező egy vektormennyiség, modulussal (annak numerikus értéke), irányával térben és értelemben. Ennek két jelentése van. Az első egy vektor, amelyet néha mágneses indukciónak hívnak, és B- vel jelölve.
A Nemzetközi Egységrendszer B egysége a tesla, rövidítve T. A mágneses mezőnek is nevezett másik mennyiség a H, mágneses mező intenzitásaként is ismert, és az egység amper / méter.
Mindkét mennyiség arányos, de így határozzák meg, hogy figyelembe vegyék a mágneses anyagoknak a rajtuk áthaladó mezőkre gyakorolt hatásait.
Ha egy anyagot egy külső mágneses mező közepére helyezünk, akkor a kapott mező ettől és az anyag saját mágneses válaszától is függ. Ez az oka annak, hogy B és H összefüggenek:
B = μ m H
Itt a μ m egy állandó, amely az anyagtól függ, és megfelelő egységekkel rendelkezik, így ha H-vel szorozva az eredmény tesla.
C
-A mágneses mező vektor nagysága, ezért nagysága, iránya és értelme van.
-A Nemzetközi rendszerben a B mágneses mező egységét a tesla jelenti, rövidítve T, míg H amper / méter. Egyéb, az irodalomban gyakran előforduló egységek a gauss (G) és a túlsúlyos.
- A mágneses mezővonalak mindig zárt hurkok, amelyek elhagyják az északi sarkot és belépnek a déli pólusba. A mező mindig érintõ a vonalakkal.
-A mágneses pólusokat mindig egy észak-dél párban mutatják be. Nem lehet elkülönített mágneses pólus.
- Mindig az elektromos töltések mozgásából származik.
- Az intenzitása arányos a terhelés nagyságával vagy az azt előállító árammal.
-A mágneses mező nagysága csökken a távolság négyzetének fordítottjával.
-A mágneses mezők lehetnek állandóak vagy változóak, mind időben, mind térben.
-A mágneses mező képes mágneses erő kifejtésére egy mozgó töltésre vagy egy huzalra, amely áramot szállít.
Mágnes pólusai
A rúdmágnesnek mindig két mágneses pólusa van: az északi és a déli. Nagyon könnyű ellenőrizni, hogy az azonos jelzőoszlopok visszatérnek-e, míg a különféle típusú oszlopok vonzanak.
Ez nagyon hasonló ahhoz, ami történik az elektromos töltésekkel. Azt is megfigyelhetjük, hogy minél közelebb vannak, annál nagyobb az erő, amellyel vonzzák vagy visszatükrözik egymást.
A rúdmágnesek megkülönböztető mintázatú mezővonalakkal rendelkeznek. Éles görbék, elhagyva az északi sarkot és belépve a déli pólusra.
2. ábra: A mágneses mágneses mező vonalai. Forrás: Wikimedia Commons.
Egy egyszerű kísérlet ezen vonalak áttekintésére az, hogy a vaslemezeket egy papírlap tetejére terjesztik, és rúdmágnest helyeznek alatta.
A mágneses mező intenzitását a mezővonalak sűrűségének függvényében adjuk meg. Ezek mindig a sűrűbbek a pólusok közelében, és elterjednek, amikor elmozdulunk a mágnestől.
A mágnest mágneses dipólusnak is nevezik, amelyben a két pólus pontosan az északi és a déli mágneses pólus.
De soha nem lehet elválasztani egymástól. Ha felvágja a mágnest, akkor két mágnest kap, mindkettőnek megfelelő északi és déli pólusai vannak. Az elkülönített pólusokat mágneses monopólusoknak nevezzük, de eddig még nem izoláltak.
források
A mágneses mező különböző forrásairól lehet beszélni. A mágneses ásványoktól kezdve egészen a Földig, amely nagy mágnesként viselkedik, az elektromágnesekig terjed.
De az igazság az, hogy minden mágneses mező a töltött részecskék mozgásából származik.
Később meglátjuk, hogy az összes mágnesesség elsődleges forrása az atom belsejében lévő apró áramokban rejlik, elsősorban azokban, amelyek az atommag körüli elektronok mozgása és az atomban levő kvantumhatások miatt keletkeznek.
Makroszkopikus eredetét tekintve azonban természetes forrásokra és mesterséges forrásokra lehet gondolkodni.
A természetes források elvben nem "kapcsolnak ki", hanem állandó mágnesek, azonban figyelembe kell venni, hogy a hő elpusztítja az anyagok mágnesességét.
Ami a mesterséges forrásokat illeti, a mágneses hatás elnyomható és szabályozható. Ezért:
- Természetes eredetű mágnesek, amelyek mágneses ásványokból készültek, mint például a magnetit és a maghemit, például a vas-oxidok.
-Elektromos áramok és elektromágnesek.
Mágneses ásványok és elektromágnesek
A természetben különféle vegyületek vannak, amelyek figyelemre méltó mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Képesek például vas- és nikkeldarabok, valamint más mágnesek vonzására.
Az említett vas-oxidok, mint például a magnetit és a maghemit, példák erre az anyagosztályra.
A mágneses érzékenység a paraméter, amelyet a sziklák mágneses tulajdonságainak számszerűsítéséhez használnak. Az alapvető idegen kőzetek a legmagasabb fogékonyságúak, magas magnetittartalmuk miatt.
Másrészt, amíg van egy huzalod, amely áramot hordoz, addig a mágneses mező hozzákapcsolódik. Itt van egy másik módszer a mező létrehozására, amely ebben az esetben a huzallal koncentrikus körök formájában valósul meg.
A mező mozgásának irányát a jobb hüvelykujj szabálya határozza meg. Amikor a jobb kéz hüvelykujja az áram irányába mutat, a fennmaradó négy ujj jelzi azt az irányt, amelyben a mezővonalak hajlanak.
3. ábra: A jobb hüvelykujj szabálya a mágneses mező irányának és érzékelésének meghatározásához. Forrás: Wikimedia Commons.
Az elektromágnes egy olyan eszköz, amely az elektromos áramok mágnesességét kelti. Ennek az az előnye, hogy képes be- és kikapcsolni. Amikor az áram megszűnik, a mágneses mező eltűnik. Ezen felül a térerősség is szabályozható.
Az elektromágnesek a különféle eszközök részét képezik, többek között a hangszórókat, a merevlemezeket, a motorokat és a reléket.
Mágneses erő a mozgó töltésen
A B mágneses mező meglétét ellenőrizhetjük egy teszt elektromos töltéssel, amelyet q-nak hívunk, és amely v sebességgel mozog. Ennek érdekében az elektromos és a gravitációs mezők jelenléte, legalább egy pillanatra, kizárt.
Ebben az esetben a q töltés által tapasztalt erő, amelyet F B-nek jelölnek, teljes egészében a mező befolyásából származik. Minőségi szempontból a következőket figyeljük meg:
-A nagysága F B arányos Q és v sebességgel.
-Ha v párhuzamos a mágneses mező vektorával, akkor F B nagysága nulla.
-A mágneses erő merőleges mind v és B.
- Végül: a mágneses erő nagysága arányos a sin θ-vel, ahol θ a sebességvektor és a mágneses mezővektor közötti szög.
A fentiek mindegyike vonatkozik mind a pozitív, mind a negatív töltésekre. Az egyetlen különbség az, hogy a mágneses erő iránya megfordul.
Ezek a megfigyelések megegyeznek a két vektor közötti vektortermékkel, tehát a q pont töltés által tapasztalt mágneses erő, amely a v sebességgel mozog a mágneses mező közepén:
F B = q v x B
Kinek a modulja:
4. ábra: A pozitív pont töltés mágneses erőjének jobboldali szabálya. Forrás: Wikimedia Commons.
Hogyan generálódik a mágneses mező?
Többféle módon létezik, például:
-A megfelelő anyag mágnesezése.
- Elektromos áram átvezetése vezetőképes vezetéken.
Az anyag mágnesességének eredete azonban azzal magyarázható, hogy azt hozzá kell kapcsolni a töltések mozgásához.
A mag körül keringő elektron lényegében egy apró, zárt áramkör, amely képes lényegesen hozzájárulni az atom mágnesességéhez. Nagyon sok elektron van egy mágneses anyagban.
Ezt az atom mágnesességéhez való hozzájárulást az orbitális mágneses momentumnak nevezzük. De van még, mert a transzláció nem az elektron egyetlen mozgása. Ezenkívül van egy mágneses spin momentuma is, kvantumhatása, amelynek analógja az elektron forgása a tengelyén.
Valójában az atom mágnesességének fő oka a spin mágneses nyomatéka.
típusai
A mágneses mező számos formát képes felvenni, attól függően, hogy milyen áramok oszlanak el az áramotól. Ez viszont nemcsak térben, hanem időben vagy mindkettőben változhat.
- Az elektromágnes pólusainak közelében egy nagyjából állandó mező van.
- A mágnesszelep belsejében nagy intenzitású és egyenletes teret is kapunk, a terepi vonalak a tengely mentén irányulnak.
-A Föld mágneses tere nagyon jól megközelíti a rúdmágnes terejét, különösen a felület közelében. Távolabb a napszél módosítja az elektromos áramot, és jelentősen deformálja azt.
- Az áramot hordozó huzalnak koncentrikus kör alakú mezője van a vezetékkel.
Függetlenül attól, hogy a mező idővel változhat-e vagy sem, a következők rendelkeznek:
-Statikus mágneses mezők, amikor sem a nagyság, sem az irány nem változik idővel. A rúdmágneses mező jó példa erre a típusú mezőre. Szintén azok, amelyek helyhez kötött áramot hordozó vezetékekből származnak.
-Változatos mezők idővel, ha azok jellemzői idővel változnak. Az előállítás egyik módja a váltakozó áramú generátorok, amelyek kihasználják a mágneses indukció jelenségét. Megtalálhatók sok általánosan használt eszközben, például mobiltelefonokban.
Biot-Savart törvénye
Ha az áramok eloszlása által létrehozott mágneses mező alakját ki kell számolni, akkor lehet használni a Biot-Savart-törvényt, amelyet 1820-ban fedeztek fel a francia fizikusok, Jean Marie Biot (1774-1862) és Felix Savart (1791-1841).).
Néhány egyszerű geometriájú árameloszlás esetén a mágneses mező vektorának matematikai kifejezése közvetlenül megkapható.
Tegyük fel, hogy van egy dl differenciálhosszúságú huzalszakasz, amely I elektromos áramot hordoz. Azt is feltételezzük, hogy a huzal vákuumban van. A mágneses mező, amely ezt az eloszlást hozza létre:
- Csökken a huzalhoz való távolság négyzetének fordítottjával.
- Arányos a vezetéken áthaladó I áram intenzitásával.
-Ez iránya érintőleges a huzal közepén lévő r sugara kerületével, és az irányt a jobb hüvelykujj szabálya határozza meg.
- μ o = 4π. 10 -7 Tm / A
- d B mágneses térerősség.
- I a huzalon átfolyó áram intenzitása.
- r a távolság a huzal középpontja és a mező közötti pont között.
-r az a vektor, amely a huzaltól a pontig megy, ahol meg akarja számítani a mezőt.
Példák
Az alábbiakban két példát mutatunk a mágneses mezőre és azok analitikus kifejezésére.
Nagyon hosszú, egyenes vonal által létrehozott mágneses mező
A Biot-Savart törvény alkalmazásával olyan vékony véges vezeték által előállított mezőt kaphatunk, amely egy I áramot hordoz. A vezeték mentén történő integrálással és a nagyon hosszú korlátozó eset figyelembe vételével a mező nagysága eredmény:
A Helmholtz tekercs által létrehozott mező
A Helmholtz tekercs két azonos és koncentrikus kör alakú tekercsből áll, amelyekre ugyanaz az áram kerül. Körülbelül egységes mágneses mező létrehozására szolgálnak.
5. ábra: A Helmholtz tekercsek vázlata. Forrás: Wikimedia Commons.
Nagysága a tekercs közepén:
Az Y a tengely mentén irányul. Az egyenlet tényezői a következők:
- N a tekercsek fordulásának számát jelenti
- Én vagyok az áram nagysága
- μ o a vákuum mágneses permeabilitása
- R a tekercsek sugara.
Irodalom
- Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 1. kötet. Kinematika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
- Mágneses térerősség H. Helyreállítva: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6. rövidített kiadás. Cengage tanulás.
- Mágneses mező és mágneses erők. Helyreállítva: fizika.ucf.edu.
- Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika a tudomány és a technika számára. 2. kötet. Ed. Cengage Learning.
- Vigo Egyetem. Példák a mágnesességre. Helyreállítva: quintans.webs.uvigo.es